学习linux的中断异常是前公司所在部门组织的学习任务，参照《深入理解linux内核》，每人选择一个章节进行系统性的深入学习，然后组织大家进行知识分享。这样每个人花费时间认真学习一个章节，就可以获取所有章节的知识，尽量用最少的时间达到最好的效果。当然如果不是自己尽心尽力去系统的学习，听别人讲解一般也就算入门级水平，知道某些概念和框架而已，但也可以节省大量时间了。实际执行过程中，毕竟大家不一定有充裕的时间学习，而且linux基础因人而异，所以在我离职之前也只组织过几次培训，想起来还是蛮怀念那段时间的。当时选择中断和异常这一章，是因为我是从小的嵌入式实时系统转到linux的，之前用的是uc/os，那时候就研究过uc/os的移植包括内核代码，还自学并移植freertos。因为这两个实时系统的移植工作主要是跟中断异常相关的，个人对这方面就会更感兴趣，想知道linux系统中复杂的中断和异常是如何实现的。
一开始去看《深入理解linux内核》感觉真的是晦涩难懂，而且书本内容属于平铺直叙型，就是单纯的介绍，并不侧重于前后的逻辑性和思路引导。对于一个linux小白并且对逻辑需求又很高的人来说，认真的看完一段话其实只是在脑海中读了一遍而已，大脑完全没有去想这段文字的意思。但是毕竟时间可以改变一切，经历了万事开头难的阶段，以及其后一年多的时间断断续续的巩固和深化理解，终于可以对linux的中断框架总结一些东西。
本文主要从四个方面来讲，中断和异常向量表的初始化、进入中断、中断描述符、退出中断。因为我是对细节需求很高的人，有一个小的环节不明白都会影响我对整个框架的理解，所以中后期的学习基本都是直接查阅代码的，这样可以看到每一个点的细节。所以文中会粘贴不少的源码，我现在使用的内核源码是linux4.20.5版本。学习过程中也拜读了许多大牛的博客。
一、中断和异常向量表的初始化
linux的链接文件是/arch/x86/kernel/目录下的vmlinux.lds文件，从该文件可以看一下内存分配。系统的入口地址，中断向量表的定义等。从vmlinux.lds文件中看到，初始位置存放的是HEAD_TEXT段，也就是*(.head.text)段。从命名方式上看，这个段应该是跟makefile中指定的head-y中添加的内容相关，所以去head-y中定义的head_$(BITS).s中查找.head.text段的定义。
果然，在head_32/64.s文件开头分别看到了下面的定义，其中__HEAD在/inlude/linux/init.h中定义为*(.head.text)。这里定义的就是入口函数 startup_32和startup_64.
head_32.s: __HEAD ENTRY(startup_32) movl pa(initial_stack),%ecx /* test KEEP_SEGMENTS flag to see if the bootloader is asking us to not reload segments */ testb $KEEP_SEGMENTS, BP_loadflags(%esi) jnz 2f head_64.s: .text __HEAD .code64 .globl startup_64 startup_64: UNWIND_HINT_EMPTY
跑题了，实际上中断和异常向量表的初始化并不是在head-32/64.s中定义的，而是在entry_32/64.s中定义的。entry.s这个文件定义的都是跟中断（中断和异常的进入退出、中断和异常处理入口）、fork退出（ret_from_fork）、任务调度（switch_to_asm）等相关的汇编代码。
下面就看中断处理函数在entry.s中的定义：
/* * Build the entry stubs with some assembler magic. * We pack 1 stub into every 8-byte block. */ .align 8 ENTRY(irq_entries_start) vector=FIRST_EXTERNAL_VECTOR .rept (FIRST_SYSTEM_VECTOR - FIRST_EXTERNAL_VECTOR) pushl $(~vector+0x80) /* Note: always in signed byte range */ vector=vector+1 jmp common_interrupt .align 8 .endr END(irq_entries_start)
分析上面的代码，真正定义的中断处理函数有两句话，内容如下：
pushl $(~vector + 0x80) jmp common_interrupt
使用伪代码循环定义了所有外部中断的中断处理函数，循环次数即为外部中断的个数（FIRST_SYSTEM_VECTOR -- FIRST_EXTERNAL_VECTOR）。因为所有的中断处理函数的保存现场、跳转到内核中断处理函数的动作都是相同的，所以这部分工作是统一由common_interrupt实现的，只需要将当前的中断向量号推入堆栈即可，类似于向后面的commin_interrupt传入了一个参数，通知它当前处理的是哪一个中断。
这段汇编代码相当于定义了（FIRST_SYSTEM_VECTOR -- FIRST_EXTERNAL_VECTOR）个外部中断处理函数。所有的外部中断处理函数在内存中的存储形式如下图，这个图在后续中断向量表初始化过程中需要用到。
除了外部中断处理函数，异常处理函数也在entry.s中定义，在x86中前32个中断/异常向量编号服务于异常处理。截取部分异常处理代码如下图。异常处理的入口代码会有不同的处理方式，所以都是分开定义的，其通用的保存现场、调用异常处理子函数、异常返回等操作定义在了common_exception函数中。common_exception函数中需要直接调用不同的异常处理子函数。所以在这部分每个异常单独拥有的代码中，需要将对应的异常处理子函数的地址传递给common_exception，当然还会根据具体的异常处理子函数的设计，看是否需要向其输入参数。
ENTRY(coprocessor_error) ASM_CLAC pushl $0 pushl $do_coprocessor_error jmp common_exception END(coprocessor_error) ENTRY(device_not_available) ASM_CLAC pushl $-1 # mark this as an int pushl $do_device_not_available jmp common_exception END(device_not_available)
综上所述，entry.s中定义了所有的异常向量处理函数和外部中断处理函数。
谈到中断/异常向量表的初始化，还需要涉及到x86的中断体系架构。这部分内容对于每个CPU都不同，ARM架构和X86都有自己独特的体系结构，所以是在arch目录下定义的。X86的中断向量表称为IDT（interrupt description table），每一个表项称为中断描述符。这连续存放的每个表项就对应相应编号的异常/中断。像某些嵌入式系统的CPU，中断向量表可能就是直接存放中断处理程序的地址。对于复杂的X86架构，中断描述符不仅需要指明中断处理程序的入口地址，还包括一些权限说明。
中断描述符中，描述符段选择子+偏移量共同实现了中断处理程序的寻址，这个与X86的段寻址结构设计相关。中断处理程序的地址=全局描述符表[段选择子] + 偏移量。但是在linux中并没有采用段式管理机制，所以全局描述符表中的段基址都被设置为0，其实偏移量就是最终的虚拟地址。其他还有一些bit，是用于设置CPU安全等级等相关操作的，与CPU架构设计息息相关，此处不再详细介绍。
两个描述符的格式摘自 https://www.jianshu.com/p/54c1bf1b4aef
二、中断处理
common_interrupt的代码实现如下。
/*
* the CPU automatically disables interrupts when executing an IRQ vector,
* so IRQ-flags tracing has to follow that:
*/
.p2align CONFIG_X86_L1_CACHE_SHIFT
common_interrupt:
ASM_CLAC
addl $-0x80, (%esp) /* Adjust vector into the [-256, -1] range */ //修正堆栈中中断向量号的格式
SAVE_ALL switch_stacks=1 //SAVE_ALL宏，保存现场
ENCODE_FRAME_POINTER
TRACE_IRQS_OFF
movl %esp, %eax //将堆栈中的数据（中断向量号）放到EAX寄存器，因为X86架构通过EAX向子函数传递参数
call do_IRQ //调用do_IRQ，相当于C代码中执行 do_IRQ(中断向量号)。 jmp ret_from_intr //跳转到中断退出函数（包括linux中断退出前的操作、恢复现场等操作） ENDPROC(common_interrupt)
看一下SAVE_ALL的宏实现
.macro SAVE_ALL pt_regs_ax=%eax switch_stacks=0 cld //清楚方向标志 PUSH_GS pushl %fs pushl %es pushl %ds pushl \pt_regs_ax pushl %ebp pushl %edi pushl %esi pushl %edx pushl %ecx pushl %ebx //至此，将段寄存器、通用寄存器的数值推入堆栈，防止原来的状态被中断处理过程污染 movl $(__USER_DS), %edx movl %edx, %ds movl %edx, %es movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx movl %edx, %fs SET_KERNEL_GS %edx /* Switch to kernel stack if necessary */ .if \switch_stacks > 0 SWITCH_TO_KERNEL_STACK //是否切换到内核堆栈 .endif .endm
异常处理函数也是在这个文件中定义：